JP5250692B2 - Permanent magnet rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石式回転電機に係り、特に、回転方向が常時一方向に限定される発電機や電動機に好適な永久磁石式回転電機に関する。 The present invention relates to a permanent magnet type rotating electrical machine, and more particularly to a permanent magnet type rotating electrical machine suitable for a generator or an electric motor whose rotational direction is always limited to one direction.
近年、回転電機の各分野に永久磁石式回転電機の採用が飛躍的に増加している。そして、永久磁石式回転電機の単機容量増加による経済性の向上のために、小型で大容量の永久磁石式回転電機の需要が高まっている。しかしながら、永久磁石式発電機を小型で大容量化しようとすると、発熱量が増加するので、特許文献1の図1に示すように、各磁極間に冷却用通風路を形成した永久磁石式回転電機が提案されている。
In recent years, the adoption of permanent magnet type rotating electrical machines has increased dramatically in each field of rotating electrical machines. In order to improve economy by increasing the single machine capacity of the permanent magnet type rotating electric machine, demand for a small and large capacity permanent magnet type rotating electric machine is increasing. However, if the permanent magnet generator is reduced in size and increased in capacity, the amount of heat generation increases. Therefore, as shown in FIG. 1 of
各磁極間に冷却用通風路を形成することで、発熱量は抑制でき、その分、永久磁石式回転電機を小型化することができる。しかしながら、各磁極間に冷却用通風路を形成することで、各磁極への磁束の集中が顕著になり、これがトルク脈動を増加させ、振動や騒音の増加させることになる。 By forming a cooling air passage between the magnetic poles, the amount of heat generated can be suppressed, and the permanent magnet type rotating electrical machine can be reduced in size accordingly. However, by forming a cooling ventilation path between the magnetic poles, the magnetic flux concentrates on the magnetic poles, which increases torque pulsation and increases vibration and noise.
この磁極への磁束の集中を低減させるためには、特許文献1の図14及び図15に示すように、磁極の外周面と固定子との空隙を、磁極の中心部に比べて周方向両端部側で大きくすることで、磁束の集中を緩和し、トルク脈動減少させている。
In order to reduce the concentration of the magnetic flux on the magnetic pole, as shown in FIGS. 14 and 15 of
上記特許文献1による永久磁石式回転電機においては、トルク脈動減少させることは可能である。
In the permanent magnet type rotating electric machine according to
一方、常に一方向にのみ回転する永久磁石式回転電機においては、両方向回転する回転電機に比べて磁極への磁束の集中が、回転方向の一方側に限定される。 On the other hand, in a permanent magnet type rotating electrical machine that always rotates in only one direction, the concentration of magnetic flux on the magnetic pole is limited to one side in the rotational direction as compared with a rotating electrical machine that rotates in both directions.
しかしながら、常に一方向にのみ回転する永久磁石式回転電機において、永久磁石を有する(永久磁石が埋設されている)側の磁極周面の回転方向の一方側に集中する磁束を低減させる技術は存在しない。その理由は、永久磁石式回転電機においては、磁極の周面近傍に永久磁石を埋設しているために、磁極周面の形状を変化さて固定子との空隙を広くしようとすると、永久磁石の埋設位置周りの回転子鉄心が薄くなり、運転時の遠心力や電磁力に対して永久磁石を保持する機械的強度の確保が難しくなる可能性があるからである。 However, in a permanent magnet type rotating electrical machine that always rotates in only one direction, there is a technique for reducing the magnetic flux concentrated on one side in the rotational direction of the magnetic pole peripheral surface having the permanent magnet (with the permanent magnet embedded). do not do. The reason for this is that in a permanent magnet type rotating electrical machine, a permanent magnet is embedded in the vicinity of the peripheral surface of the magnetic pole. Therefore, if an attempt is made to widen the gap with the stator by changing the shape of the peripheral surface of the magnetic pole, This is because the rotor core around the buried position becomes thin, and it may be difficult to ensure the mechanical strength for holding the permanent magnet against the centrifugal force and electromagnetic force during operation.
本発明の目的は、トルク脈動の原因となる磁極周面の回転方向の一方側に集中する磁束を低減させることができると共に、機械的強度の確保が行える永久磁石式回転電機を提供することである。 An object of the present invention is to provide a permanent magnet type rotating electrical machine that can reduce magnetic flux concentrated on one side in the rotation direction of a magnetic pole peripheral surface that causes torque pulsation and can ensure mechanical strength. is there.
上述の目的を達成するために、本発明では、各磁極の外周を同じ曲率を有する円弧で形成すると共に、各磁極の磁極中心軸を回転子の回転中心に対して変位させて固定子と各磁極外周との空隙を回転方向の一方側を他方側に比べて広くしたのである。 In order to achieve the above object, in the present invention, the outer periphery of each magnetic pole is formed by an arc having the same curvature, and the magnetic pole central axis of each magnetic pole is displaced with respect to the rotation center of the rotor to The gap with the outer periphery of the magnetic pole is made wider on one side in the rotational direction than on the other side.
このように、各磁極の外周を同じ曲率を有する円弧とし、各磁極の磁極中心軸を回転子の回転中心に対して変位させて形成することで、永久磁石の埋設位置周りの回転子鉄心を薄くする必要がなくなるので、運転時の遠心力や電磁力に対して永久磁石を保持する機械的強度を確保できると共に、固定子と各磁極外周との空隙を回転方向の一方側を他方側に比べて広くしたので、磁束の集中を緩和することができる。 In this way, the outer periphery of each magnetic pole is formed into an arc having the same curvature, and the magnetic pole central axis of each magnetic pole is displaced with respect to the rotation center of the rotor, thereby forming the rotor core around the permanent magnet embedded position. Since there is no need to reduce the thickness, the mechanical strength for holding the permanent magnet against centrifugal force and electromagnetic force during operation can be secured, and the gap between the stator and the outer periphery of each magnetic pole can be turned from one side to the other. Since it is wider than that, the concentration of magnetic flux can be relaxed.
以上説明したように本発明によれば、トルク脈動の原因となる磁極周面の回転方向の一方側に集中する磁束を低減させることができると共に、機械的強度の確保が行える永久磁石式回転電機を得ることができる。 As described above, according to the present invention, the permanent magnet type rotating electrical machine that can reduce the magnetic flux concentrated on one side in the rotation direction of the magnetic pole peripheral surface that causes torque pulsation and can ensure the mechanical strength. Can be obtained.
以下本発明による永久磁石式回転電機の第1の実施の形態を、図1〜図3に示す永久磁石式発電機に基づいて説明する。 A first embodiment of a permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention will be described below based on the permanent magnet type generator shown in FIGS.
永久磁石式発電機1は、原動機に連結され回転自在に軸支された回転軸2と、この回転軸2に固定された回転子3と、その外周に空隙を介して配置された固定子4とを備えている。
The
前記回転子3は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子鉄心5と、この回転子鉄心5の外周側に埋設した永久磁石6と、この回転子鉄心5に軸方向に延在し周方向に間隔をあけて偶数形成した冷却用通風溝7とを備えている。前記永久磁石6は、周方向に隣接する前記冷却用通風溝7間の回転子鉄心5の外周側に埋設されて偶数の磁極8を構成している。
The
一方、固定子4は、前記回転子鉄心5と空隙を介して設置され電磁鋼板を軸方向に積層して構成された固定子鉄心9と、この固定子鉄心9の内径側に形成した軸方向の巻線溝(図示せず)に装着された固定子巻線10とを有している。
On the other hand, the
そして、前記磁極8は、図3に破線で示すように、回転子3の回転中心11を中心とする曲率(半径)で、固定子4との空隙が等しい外周8sを有する磁極8Aの磁極中心軸12Aを、回転子鉄心5の内径側を中心として回転方向Rとは逆方向RAに傾斜変位させた位置に、云い代えれば、磁極中心軸12Aを回転子3の回転中心11に対して変位させた位置に磁極中心軸12を移動させた磁極8を形成している。
The
このように磁極8を形成することで、その外周8Sは、固定子4との空隙が、回転方向Rとは反対側は広くなり、回転方向R側に行くにしたがい漸減するようになる。
By forming the
したがって、各磁極8の回転方向Rとは反対側に集中する磁束の集中を広くなった空隙によって緩和することができ、その結果、磁束集中によるトルクの脈動を減少させることができる。
Therefore, the concentration of the magnetic flux concentrated on the opposite side to the rotation direction R of each
因みに、図3の破線で示す磁極8Aの形状(従来例)と、図3の実践で示す変位させて形成した本実施の形態により磁極8の形状とのトルク脈動を計測したところ、図4のトルク波形に示すように、本実施の形態によるトルク脈動は従来例に比べて約3割減少していることが確認された。
Incidentally, when the torque pulsation between the shape of the
さらに、磁極中心軸12を変位させた磁極8の構成としても、回転子3の永久磁石6の埋設位置周辺の回転子鉄心5の厚さには変化がなく、したがって、永久磁石6を保持する回転子鉄心5の強度低下はなく、安定して永久磁石6を保持することができる。
Furthermore, even if the
このほか、隣接する磁極8の間には、冷却用通風溝7が形成されているので、運転時に、この冷却用通風溝7に冷却媒体(機内を循環する空気や、機外から導入する外気等)を流通させることで、永久磁石式発電機1の発熱量を抑制でき、その分、永久磁石式発電機1を小型化することができる。
In addition, since a
ところで、本実施の形態においては、磁極中心軸12を傾斜して変位させて、磁極8の外周8Sと固定子4との空隙を変化させたものであるが、図5に示す変形例のように、磁極8の外周8Sの半径中心13を回転子3の磁極中心軸12からずらして前記空隙を変化させるようにしてもよい。
By the way, in the present embodiment, the magnetic pole
このように回転子3の磁極8の外周8Sの半径中心13をずらすことで、反回転方向側の固定子4との空隙をさらに拡大することができ、磁束の集中を効率的に低減することができる。その結果、図6に示すように、従来例に比べてトルク脈動を約6割減少させることができた。
By shifting the
次に、本発明による第2の実施の形態を図7及び図8に基づいて説明する。尚、図1〜図3及び図5と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 and FIG.
本実施の形態において、図1に示す第1の実施の形態と異なる構成は、磁極8の磁極中心軸12Bの変位の方法である。即ち、本実施の形態においては、図8に破線で示すように、回転中心11を半径中心とする外周8sを有する磁極8Aにおいて、その回転中心11を通る磁極中心軸12を回転方向R側に平行移動させて変位させ、磁極中心軸12Bとなる位置に同じ形状の磁極8を形成したのである。
In the present embodiment, a configuration different from the first embodiment shown in FIG. 1 is a method of displacing the magnetic pole
このように構成することで、第1の実施の形態と同等の効果を奏することができる。 By configuring in this way, it is possible to achieve the same effect as that of the first embodiment.
さらに、本実施の形態においても、第1の実施の形態の変形例(図5)に示すように、磁極8の外周8Sの半径中心13をずらすことで、更なるトルク脈動の低減を行うことができる。
Furthermore, also in the present embodiment, as shown in the modification of the first embodiment (FIG. 5), the torque pulsation can be further reduced by shifting the
ところで、上記第1及び第2の実施の形態においては、回転子3の磁極8の数を8極としているが、他の極数でもよく、また、固定子4の巻線溝数や巻線方式(集中巻や分布巻)が変わった場合でも、上記実施の形態による回転子3を適用することで、同様な効果を奏することができる。
By the way, in the first and second embodiments, the number of the
図9は、本発明による第3の実施の形態を示すもので、永久磁石6の回転子鉄心5への埋設位置が異なるほかは、第1及び第2の実施の形態と同じ構成である。
FIG. 9 shows a third embodiment according to the present invention, which has the same configuration as that of the first and second embodiments, except that the embedded position of the
即ち、第1及び第2の実施の形態において、永久磁石6は、断面矩形型の平板の永久磁石6を2つ用い、一つの磁極8に対してV字状に埋設したものである。しかしながら、本実施の形態においては、2つの平板の永久磁石6を板面が同一になるように平行に埋設したものである。
That is, in the first and second embodiments, the
本実施の形態においても、上述の実施の形態と同等の効果を奏することができる。 Also in this embodiment, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
さらに、図10は、第3の実施の形態における第1の変形例で、2つの平板の永久磁石6を用い、一つの磁極8に対して「ハ」の字状に埋設したものである。
Further, FIG. 10 shows a first modification of the third embodiment, in which two flat
図11は、第3の実施の形態における第2の変形例を示すもので、断面が円弧状に形成された2つの永久磁石6Aを用い、一つの磁極8に対して円弧が外周8Sに沿うように埋設したものである。
FIG. 11 shows a second modification example of the third embodiment, in which two
以上の第3の実施の形態及びそれに基づく2つの変形例に示すように、磁極8の外周8Sの形成状態によって、永久磁石6,6Aの埋設法を選択することで、永久磁石6,6Aの近傍の回転子鉄心5の厚さを確保することができ、機械的強度の確保を行うことができる。
図12は、本発明による第4の実施の形態を示すもので、回転子鉄心5に埋設される永久磁石6を、その幅方向に複数に分割した永久磁石片6a,6b,6c,6dで構成したのである。As shown in the third embodiment and the two modifications based thereon, by selecting the embedding method of the
FIG. 12 shows a fourth embodiment according to the present invention. The
このように、永久磁石6を永久磁石片6a,6b,6c,6dで構成することで、渦電流損による永久磁石6の発熱を低く抑えることができ、永久磁石式発電機の小型化や大容量化に寄与することができる。
In this way, by configuring the
尚、永久磁石6の小分割化は、本実施の形態に限らず、他の実施の形態及び変形例で示す永久磁石6,6Aに適用できるのは云うまでもない。
Needless to say, the subdivision of the
以上の各説明は、磁極8を形成するように、夫々冷却用通風溝7を設けて回転子3の冷却を行っているが、更なる回転子3の冷却が要求される場合がある。そのようなときには、図13に示す本発明による第5の実施の形態のように、各磁極8ごとに、永久磁石6の埋設位置よりも内径側に軸方向に貫通する穴14を設けて軸方向冷却通路とし、ここに冷却媒体を流通させることで、冷却能力を向上させることができる。
In each of the above explanations, the
次に、本発明による第6の実施の形態を図14に基づいて説明する。第1の実施の形態と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 Next, a sixth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. Since the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same constituent members, detailed description thereof is omitted.
第1の実施の形態と異なる構成は、回転子鉄心5の内径側に、図13で示す穴14を設けて軸方向冷却通路を形成した点と、回転子鉄心5の軸方向複数箇所に電磁鋼板を積層する際に径方向の通風ダクト15を形成した点と、固定子鉄心9にも同様な通風ダクト16を形成した点と、回転子3の軸方向両側に位置する回転軸2に軸流ファン17A,17Bを設けた点である。
The configuration different from that of the first embodiment is that the
このように構成することで、軸流ファン17A,17Bによって冷却媒体が、回転子鉄心5の冷却用通風溝(図示せず)7や穴14に押し込まれ、そこから通風ダクト15を通って半径方向に流れ、そこから固定子4の通風ダクト16を通って軸流ファン17A,17Bに戻るので、回転子3や固定子4の冷却効率を高めることができ、永久磁石式発電機1の小型化や大容量化にさらに寄与することができる
ところで、図示は省略しているが、軸流ファン17A,17Bによって循環される冷却媒体の流路の途中、例えば固定子4の外周側に熱交換器を設置すれば、更なる冷却効率の向上に寄与することができる。With this configuration, the cooling medium is pushed into the cooling ventilation groove (not shown) 7 and the
さらに、図15は、各実施の形態による永久磁石式発電機1を、風力発電システムに適用した例を示す。
Further, FIG. 15 shows an example in which the
永久磁石式発電機1は、原動機である風車18に減速手段19を介して回転的に接続されている。永久磁石式発電機1と減速手段19とは風車ナセル20内に設置されている。そして、永久磁石式発電機1は、負荷21に対し、電力変換機22を介して電気的に接続され、発電運転を行う。
The
尚、永久磁石式発電機1は、風車18に減速手段19を介して回転的に接続されたものであるが、風車18に対して直結してもよい。
The
このように、風力発電システムに、本発明による小型で大容量の永久磁石式発電機1を適用することで、風車ナセル20全体を小型化することができる。
Thus, the
ところで、以上の説明は、磁極の外周の回転方向の先端側となる位置の固定子との空隙を、磁極の外周の反回転方向側となる位置の固定子との空隙に対して、磁極の外周の円弧に沿って漸減させたものであるので、磁極の下が側への磁束の集中が、緩やかに分散されて低減できるのである。しかしながら、磁極の外周を直線的に傾斜させて固定子との空隙を変化させた場合、逆に、固定子との空隙が最も接近する部分に磁束が集中し易くなり、磁束の集中の低減効果が発揮できなくなる。したがって、固定子との空隙は、磁極の外周の円弧に沿って漸減させる必要がある。 By the way, in the above explanation, the gap between the outer periphery of the magnetic pole and the stator at the position on the tip side in the rotational direction is set to the gap between the outer periphery of the magnetic pole and the stator at the position on the counter-rotation direction. Since it is gradually reduced along the outer peripheral arc, the concentration of the magnetic flux toward the lower side of the magnetic pole can be gently dispersed and reduced. However, when the gap between the stator and the stator is changed by linearly tilting the outer circumference of the magnetic pole, conversely, the magnetic flux tends to concentrate on the part where the gap between the stator and the stator is closest, and the effect of reducing the concentration of the magnetic flux is reduced. Cannot be demonstrated. Therefore, the gap with the stator needs to be gradually reduced along the arc on the outer periphery of the magnetic pole.
さらに、磁極外周の円弧を形成するに際し、単一の半径中心による円弧を形成した例を示したが、永久磁石式発電機の用途や特性によっては、磁極の外周を複数の半径中心を有する円弧によって形成してもよい。 In addition, when forming an arc around the magnetic pole, an example was shown in which an arc with a single radius center was formed. However, depending on the application and characteristics of the permanent magnet generator, the arc having an outer periphery with a plurality of radius centers May be formed.
このほか、永久磁石は組立性等を考慮して、軸方向に複数に分割されたものを用いてもよい。 In addition, the permanent magnet may be divided into a plurality of parts in the axial direction in consideration of assemblability and the like.
上記各実施の形態は、風力発電システムに適用できる永久磁石式発電機について説明したが、原動機として水車、エンジン、タービン等に連結して用いることも可能である。 Although each said embodiment demonstrated the permanent-magnet-type generator applicable to a wind power generation system, it can also be connected and used for a turbine, an engine, a turbine, etc. as a motor.
さらに、本発明による永久磁石式回転電機は永久磁石式電動機にも適用することができる。尚、永久磁石式回転電機を永久磁石式電動機とした場合には、磁極の外周の回転方向の先端側となる位置の固定子との空隙を、磁極の外周の反回転方向側となる位置の固定子との空隙よりも広くなるようにすることが重要である。 Furthermore, the permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention can be applied to a permanent magnet type electric motor. When the permanent magnet type rotating electrical machine is a permanent magnet type electric motor, the gap between the outer periphery of the magnetic pole and the stator at the position on the front end side in the rotational direction is the position of the outer periphery of the magnetic pole in the position on the opposite side of the rotational direction. It is important to make it wider than the gap with the stator.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (1)
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PCT/JP2009/000883 WO2010097838A1 (en) | 2009-02-27 | 2009-02-27 | Permanent magnet type rotary machine |
Publications (2)
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